基于AMESim的甘蔗中耕机菱形自走底盘同步性研究

黄 淼，郑丁科，杨丹彤，刘庆庭

(华南农业大学 工程学院，广州 510642)



基于AMESim的甘蔗中耕机菱形自走底盘同步性研究

黄 淼，郑丁科，杨丹彤，刘庆庭

(华南农业大学 工程学院，广州 510642)

甘蔗中耕是甘蔗生产的重要环节，针对甘蔗中耕作业人工耗费量大、机械化水平低的问题，设计开发了菱形四轮龙门架式高地隙甘蔗中耕机。该机采用全液压驱动，液压行走系统是该机的重要组成部分，驱动轮的同步性能会直接影响整机的稳定性。分析了甘蔗中耕机的结构特点和工作原理，针对中耕机驱动轮的同步性进行仿真分析，建立了分流集流阀和行走液压系统的AMESim模型，并通过样机试验验证了仿真模型的正确性。仿真试验和样机试验结果表明：单纯的分流集流阀同步方案驱动轮的同步误差高达10%以上，严重影响中耕机的直线行走性能。最后，提出了提高中耕机同步性的解决方案，为后续的改进工作提供理论依据。

甘蔗；中耕机；自走底盘；AMESim 仿真

0 引言

蔗糖是重要的食品添加剂，而甘蔗又是我国主要的制糖原料[1-3]。甘蔗中耕是甘蔗生产过程中的重要环节[4]，也是相当耗费人工的一道工序。提高甘蔗全程生产过程的机械化水平不仅要提高甘蔗的机械化种植和收割水平，更应该努力提高甘蔗机械化中耕和田间管理水平。因此，研究甘蔗田间管理及中耕机械变得十分必要和有意义。但是，甘蔗中耕时甘蔗株最高已有1.5m左右[5]，给机械中耕作业带来了一定的困难，对甘蔗中耕机特别是行走系统提出了较高的要求：一是甘蔗中耕机行走系统拥有良好的调速、变速及差速能力，以适应不同的作业速度要求；二是能够实现跨顶作业，具有良好的行间通过性能，做到不伤苗、不挂苗，行走过程中不伤到甘蔗根部等。我国主要甘蔗产区的甘蔗种植行距宽窄不一，要求甘蔗中耕机能够适应不同的行距作业，即作业行距可调[6]。本文以华南农业大学研制的菱形四轮甘蔗中耕机为研究对象，对其行走液压系统进分析、AMEsim仿真建模和样机试验，为后续的改进工作提供理论依据。

1 甘蔗中耕机介绍

甘蔗中耕机质量3.3t，发动机标定功率59kW，额定转速2 600r/min。中耕机最大的特点就是4个车轮为菱形布置，这样既减小了中耕机的转弯半径，又增加了中耕机的行间通过性能。甘蔗中耕机左、右轮为驱动轮，前后轮为从动轮兼转向轮。甘蔗中耕机的左右轮可往内外伸缩，作业行距可调，能够适应1.0～1.4m的甘蔗种植行距；发动机安装在狭长的车身前部，左、右驱动轮安装在龙门架式的左、右侧臂上，保证中耕机能够实现1.5m以上的跨顶高度。其三维模型图如图1所示。甘蔗中耕机中耕作业时，作业机具安装在左、右轮及后轮的支架上，同时作业行数为3行，其作业示意图如图2所示。

1.轮距调节液压缸 2.发动机 3.前轮 4.右驱动轮 5、6、8.中耕机具 7.后轮 9.左驱动轮图1 甘蔗中耕机三维模型图

为了保证菱形四轮中耕机的4个车轮能够同时着地，设计了独特的旋转车身。中耕机行走底盘由前、后两部分车架铰接而成。其中，前后车架能相对转动，靠车架顶部弹簧复位；相对转动角范围为0°～15°，左右轮可以上下调节的高度为0～0.24m。中耕机车架的结构如图3所示。

1.甘蔗地垄 2.甘蔗株 3.左侧臂 4.左驱动轮 5.驾驶室 6.右侧臂 7.右驱动轮 8.甘蔗地沟 9.前轮图2 甘蔗中耕机作业示意图

1.后车架 2.铰接轴 3.复位弹簧 4.前车架图3 甘蔗中耕机车架结构图

中耕机采用全液压驱动，液压马达与安装在左、右驱动轮轮边的减速机相连带动驱动轮转动。中耕机为单泵双马达并联连接，定量马达排量54.4mL/r，变量泵最大排量105.5mL/r，轮边减速机传动比为35.5。中耕机两驱动马达并联时靠分流集流阀实现差速和同步。其液压行走系统原理图如图4所示。

1.泵组 2、10换向阀 3.单向阀 4、7、12、13.溢流阀 5.过滤器 6热油梭阀 8.冷却器 9.分流阀 11.固定节流孔 14、15.行走马达图4 中耕机液压行走系统原理图

中耕机采用单泵双马达并联的闭式液压行走系统。其中，手控变量泵自带补油泵，通过手动换向阀控制变量泵的旋向，实现泵的正反转。溢流阀设定了补油泵的补油压力，热油冲洗阀使得部分高压油经溢流阀回油箱，并且流经冷却器进行热交换。电磁换向阀控制分流阀的接入与否。当二位二通换向阀工作在左位时，分流集流阀不起分流作用，两驱动马达根据负载的大小自由分配流量，负载大的马达流量小、转速慢，方便中耕机在转向时实现两驱动轮的差速；当二位二通换向阀工作在右位时，分流集流阀处于工作状态，中耕机两驱动马达依靠分流集流阀的等量分流实现驱动轮的同步，保证中耕机良好的直线行走性能。分流阀分流出来的两条支路之间的节流孔对消除流量波动有着显著的效果。溢流阀设定了行走马达的最高压力，做安全阀使用。

闭式行走液压系统中，中耕机驱动轮的同步性能主要取决于分流集流阀的等量分流性能，分流集流阀等量分流的分流误差越低则相应的驱动轮的同步误差也就越低，同步性能就越好。因此，有必要对分流集流阀的性能进行详细的分析。

2 中耕机行走液压系统AMESim仿真建模

AMESim软件可以很方便地建立元件级、部件级、系统级的计算模型。就中耕机的液压系统而言，分流集流阀没有现成的模型可以调用，需要根据分流集流阀的结构和数学模型，用AMESim的HCD库建立它的元件模型。

中耕机采用的是Eaton2CFD200系列分流集流阀，其阀芯结构如图5所示。根据分流集流阀的阀芯结构，忽略泄露、瞬态液动力及一些次要因素，建立如图6所示分流状态的数学模型[7]。

1.左阀芯 2.右阀芯 3、6、9.弹簧 4、8.可变节流口 5、7.固定节流口图5 Eaton2CFD200分流集流阀内部阀芯

图6 分流集流阀分流工况数学模型

由图6可得

(1)

(2)

(3)

式中C1—固定节流口流量系数；

k—固定节流口个数，k=4；

ρ—液压油密度；

d—固定节流口直径。

中耕机上的分流集流阀是等量分流的，则

(4)

由阀芯的受力分析，可得[8]

(5)

式中Fs1、Fs2—左、右可变节流口稳态液动力；

D—阀芯外径；

k—弹簧刚度；

x0—弹簧预压缩量；

x—阀芯位移；

m—阀芯质量；

Bf—粘性阻尼系数。

根据流体力学，则有

Fs1=c2cv2A1(x)cosθ(p1-p3)

(6)

Fs2=c2cv2A2(x)cosθ(p2-p4)

(7)

式中C2—可变节流口的流量系数；

Cv2—可变节流口的流速系数；

A1(x)、A2(x)—左、右可变节流口面积；

θ—可变节流口射流角。

可变节流口面积A1(x)、A2(x)的计算要根据Eaton2CFD200分流集流阀阀芯的具体结构而定。不妨令阀套上的小孔半径为r，阀芯上沉割槽的半径为R，

且R>r>0。建立如图7所示的直角坐标系，阀芯从左往右移动过程中可变节流口的面积如图7中阴影部分所示。为了叙述方便，称阀套上的圆孔r为固定圆，称阀芯上的沉割槽R为移动圆。

图7 可变节流口大小变化示意图

建立如图7所示的坐标系后，可以得到固定圆和移动圆的解析式。

固定圆方程为

x2+y2=r2

(8)

移动圆方程为

(x-c)2+y2=R2

(9)

不妨令

(10)

那么，可变节流口的面积A可以表示为关于自变量c的分段函数，则

A=f(c)

(11)

其中，c为一变量，分段函数的表达式如表1所示。左、右可变节流口的面积A1(x)、A2(x)在AMESim仿真模型中可以用HCD库中的BAO042来代替，只要分别设置好直径大小和初始位移c的值，便可以真实地反映出A1(x)、A2(x)的变化情况。

表1 可变节流口面积A(x)的分段函数表达式

分流集流阀等量分流的分流误差可以表示为[9]

(12)

将式(2)、式(3)代入式(12)中,得到

(13)

稳态下阀芯所受合力为0，整理后代入式(11)，得

(14)

式中 d—固定节流口直径；

k—弹簧刚度；

D——阀芯外径；

式(12)左右两边同时除以定量马达排量v，则有

(15)

式中 ω1—左驱动马达转速；

ω2—右驱动马达转速；

v—马达排量。

由式(14)、式(15)可知：ξ既可以表示分流集流阀的分流误差，又可以表示两驱动轮的同步误差。分流集流阀结构参数对ξ有影响，这些结构参数包括分流集流阀的弹簧刚度、阀芯外径及固定节流口直径。在仿真试验时可以以此作为试验因素，设置不同的参数水平，探究其对ξ的影响。

根据分流集流阀的结构和数学模型，用AMESim的HCD库建立它的元件模型，如图8所示。根据中耕机行走系统的液压原理图，用AMESim的Hydraulic库和Mechanical库进一步建立中耕机整个液压行走系统的系统模型，如图9所示[10]。

图8 分流集流阀分流状况AMESim模型

图9 中耕机液压行走系统AMESim模型

3 仿真试验

1)试验目的：通过AMESim仿真软件改变分流集流阀的结构参数，研究各个参数对分流误差的影响及最佳参数匹配。

2)试验方法：按照实际情况设置好仿真参数，根据样机测试数据可知：中耕机行走时左右轮的扭矩约为700N·m左右，由于存在制造误差和装配误差，左、右轮承重并不相等；再加上摩擦力等因素的影响，左、右轮存在约3%的负载差。根据样机测试结果，给左轮695N·m的恒定负载输入、右轮715N·m的恒定负载输入。根据理论分析结果，弹簧刚度、阀芯外径、固定节流口直径都会对分流误差有影响。实际中，在能够克服摩擦力、保证阀芯恢复中位的前提下，弹簧刚度应该越小越好。根据文献资料和经验值，弹簧刚度设置为5N/mm。而同一系列不同型号的分流集流阀会有不同的尺寸，根据市场上Eaton2CFD200系列不同型号的分流集流阀的实际尺寸，以固定节流口直径、阀芯外径为试验因素A、B，并设置参数水平: A1=2mm, A2=3mm, A3=4mm, B1=10mm, B2=20mm,B3=30mm，试验指标为分流集流阀的分配流量差，单位是L/min。仿真结果如表2所示。

表2 仿真试验结果统计

续表2

3)仿真试验结果表明：固定节流口直径为4mm、阀芯外径为30mm的分流集流阀分流误差最小，但也有10.2%。中耕机3%的恒定负载差会引起驱动轮10%以上的同步误差，分流集流阀的结构参数调整对两驱动轮同步误差无根本性的改善。

4 样机试验

1)试验目的：测试中耕机驱动马达的分流误差。

2)试验设备：菱形四轮甘蔗中耕机样机，雷诺CT125-V-B-B-6流量传感器，量程0～125L/min，雷诺SR-PTT400-05-0C压力传感器，量程0～40MPa。

3)试验方法：在水泥路面上，中耕机以2km/h的速度行驶时，测试左、右驱动马达进油口的压力流量。

样机测试试验照片如图10所示，测试结果如图11所示。

1.后轮 2.右驱动轮 3.左驱动轮 4.压力、流量传感器 5.前轮图10 样机试验

图11 样机测试结果

由图11可知：中耕机以2km/h的速度行驶时，右马达A口平均压力2.692MPa，平均流量19.40L/min，左马达A口平均压力2.592MPa，平均流量22.26L/min。此期间，左、右驱动马达平均分流误差为13.37%，当存在3%的负载差时会引起分流集流阀超过10%的分流误差。样机试验结果和仿真结果一致，验证了仿真模型的正确性。

超过10%的同步误差会使得中耕机在行走过程中产生严重的走偏现象。中耕机直线行驶性能测试的结果表明：不操纵转向机构的前提下，中耕机平均每25m会走偏将近1m，降低了整机的可操控性。为了提高中耕机的直线行走性能，驱动轮的同步误差应保持在3%以内。

5 解决方案

对于定量马达而言，驱动轮马达的流量误差和其同步误差是一样的，可以考虑使用压力负反馈调节的变量马达，当马达负载变化时，马达的排量也会相应的变化。负载较大的驱动轮马达压力高、流量小，同时排量也变大，以保证两驱动轮的同步。建立的AMESim仿真模型如图12所示。

图12 液压行走系统模型

如此改变之后，同样的条件下运行仿真，驱动轮的同步误差可降至2%～3%。

6 结语

利用AMESim软件对中耕机行走液压系统进行了仿真分析，并对中耕机样机进行了测试试验。样机试验的结果和仿真分析结果一致，验证了AMESim仿真模型的正确性。仿真试验得出中耕机驱动轮产生同步误差的主要原因是：分流集流阀对流量的分配是开环控制，本身并不能校正分流误差，当中耕机驱动轮存在3%的负载差时，分流集流阀的分流误差被放大到10%以上。通过仿真，找到减小驱动轮同步误差的方法：在分流集流阀对流量进行分配的基础上，再通过变量马达的排量调节可以将同步误差降至3%，可以满足中耕机行走的同步要求。

[1] 马凯,徐雪.中国食糖市场现状与未来5年展望[J].农业展望，2015(9)：12-17.

[2] 徐雪，马凯．2014年中国食糖市场分析与展望[J].中国食物与营养，2014，21(4)：47-50.

[3] 黄敞，刘海滨，王迎,等.甘蔗中耕施肥机发展探讨[J].农业装备与车辆工程，2014(11)：14-15.

[4] 曾志强，区颖刚.2CZY-2 型甘蔗种植机试验和分析[J].现代农业装备，2015(3):31-32.

[5] 许妃如，甘俊旗，曾志强,等.甘蔗田间管理机械化作业技术规范[J].热带农业工程，2013(2)：22-24.

[6] 吕美巧.新型甘蔗窄行中耕培土机的研究设计[J].中国农机化，2015(3):47-48.

[7] 贾剑峰.分流集流阀在全液压平地机中的应用研究[D].西安:长安大学，2009：18-19.

[8] 王建成.大吨位起重机平衡重同步调节技术仿真与实验研究[D].长春：吉林大学，2012:8.

[9] 李壮云.液压元件与系统(3版)[M].北京：机械工业出版社， 2011：214-215.

[10] 金胜秋.基于AMESim的液压同步阀的仿真分析及结构研究[D].长春:吉林大学，2009：25-26.

Study on Synchronization of the Hydraulic Driving System of a Sugarcane Cultivator Based on AMESim

Huang Miao, Zheng Dingke, Yang Dantong, Liu Qingting

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Sugarcane cultivation is an important link in sugarcane production. Aiming at the problem of high effort cost and low degree of mechanization during sugarcane production, a sugarcane cultivator with rhombic chassis offour-wheel is designed.This machine is fully hydraulic driven and hydraulic driving system is one of the most important parts of a sugarcane cultivator, whose property will have profound influence on the reliability of the whole machine. Aiming at the synchronization of driving wheels, a simulation is done. The AMESim simulation model of a FCD valve and the hydraulic driving system are established. Then the correctness of the simulation model is verified by a prototype test. The results of both prototype test and the simulation show that synchronization scheme only using a FCD valve has a synchronization error more than ten percent which significantly affect on the linear walking performance of the sugarcane cultivator. At last a promotion suggestion is made. All the work has provided theoretical basis for a further study and improvement.

sugarcane; cultivator; self propelled chassis; AMESim flow distributing and collecting valve

2016-05-03

国家甘蔗产业技术体系专项(CARS-2014-1)

黄 淼(1989-)，男，湖南澧县人，硕士研究生，(E-mail)563632567@qq.com。

郑丁科(1971-)，男，广东连平人，副教授，硕士生导师，博士，(E-mail)dkzheng@scau.edu.cn。

S224.1

A

1003-188X(2017)06-0007-06